不同地基钢波纹管涵洞受力特征及施工工艺分析

张 力，赵 侣，胡 滨，3

（1.中交第一公路勘察设计研究院有限公司，陕西 西安 710075；2.中交四公局国际工程分公司，北京 100123；3.西安中交土木科技有限公司，陕西 西安 710075）

1 概述

钢波纹管是采用工厂生产，将钢板压制成为一定波纹形式的板件。目前，钢波纹管涵洞已经在全国大部分省份进行了应用，特别是在青海、西藏、云南、江西、湖北、广东、陕西等省份高速公路上大面积推广使用，且有迅速增长的趋势。相比较于混凝土结构，采用现场拼装的钢波纹管涵洞具有多方面的优势：（1）工厂采用滚轮碾压机标准化生产，结构形式及质量易控，且运输方便。（2）工地现场拼装连接，施工工艺简单，施工速度快，在保证施工质量的同时缩短了施工工期。（3）钢波纹管轴向波纹的存在使得整体受力更加均匀，特别是在特殊地区（如冻土区、湿陷性黄土区、软土区）钢波纹管涵洞可解决混凝土涵洞由于基础不均匀沉降引起的较大变形问题。（4）减少了砂石材料的开采，减少了环境污染，且钢波纹板可回收利用。

2 国内外研究现状

美国于1896年在本国内对钢波纹管结构进行了公路涵洞、通道方面的研究，给出了可行性的研究结论，对钢波纹管结构推广应用建立了一定的技术基础。加拿大于1929在本国内首次将钢波纹管应用在煤矿区，并取得了成功。此后，日本在本国大量应用钢波纹板桥涵结构的基础上，于1990年编制了钢波纹管方面的设计规范，纳入《日本高速公路设计规范》中，为钢波纹管结构设计鉴定了基础。

截止目前，钢波纹管涵洞在美国、加拿大等国家公路工程中均有推广应用，并进行了不同工程结构的研究，制定了设计、制造及施工安装手册。

国内中交第一公路勘察设计研究院有限公司首次于1997年在我国青藏公路修建了三道钢波纹管涵洞，获得了现场试验数据，取得了初步成功，解决了高原地区多年冻土区混凝土涵洞的冻融破坏病害难题，提高了涵洞工程在多年冻土地区的使用寿命，促进了钢波纹管结构在公路工程中的应用。1998年，上海市政工程设计研究院引进国外直径4 m钢波纹管结构，在上海新开河进行了应用，组织人员测试了车辆荷载作用下钢波纹管涵洞的应力应变，并进行了数值模拟分析，获得了大量现场数据，取得显著的研究成果。2000—2019年中交第一公路勘察设计研究院有限公司持续10年先后依托实体工程，做了大量不同直径、不同波形、不同填土高度情况下钢波纹管涵洞的应用，并进行了系统性研究工作，形成了钢波纹管涵洞的设计、施工及质量检验成套技术，并编制了多部行业标准、协会标准、地方标准和企业标准，取得了多项技术成果，规范了市场，促进了波纹钢行业的发展。

从国外的研究来看，成果多偏向于钢波纹管涵洞调研、总结，标准的编制；国内多为现场实测结合有限元模拟分析不同孔径、波形、填土高度的钢波纹管涵洞的管内应力和管外土压力，关于不同基础的钢波纹管涵洞研究则很少，也没有对基础材料的要求进行分析，因此很有必要对不同基础的钢波纹管涵洞进行研究。

钢波纹管涵洞为柔性结构，基础不能使用混凝土等刚性材料，而且基础材料强度不够或压实不充分往往会引起结构的过大变形或结构的破坏。针对这一问题，本项目采用直径4 m钢波纹管涵洞，波形参数为波长200 mm×波高55 mm、壁厚7 mm、管顶填土高度为1.6 m，管底回填基础分为一般填土、碎石、天然砂砾、级配碎石四种情况下的钢波纹管涵洞有限元模型，采用有限元数值模拟分析方法对不同地基钢波纹管涵洞在车辆荷载作用下的受力和变形进行研究。

3 不同地基钢波纹管涵洞有限元模拟分析

3.1 模拟方案

采用有限元软件进行建模，施加公路一级荷载，对直径4 m钢波纹管涵洞的管顶、管底和管侧三处轴线方向的应力和变形进行对比分析。不同回填基础的参数见表1。

表1 不同回填基础的参数

3.2 工况说明

车辆荷载按照国内公路桥涵规范中要求的公路-1级汽车荷载形式，立面、平面尺寸见图1、图2，主要技术指标见表2。

表2 车辆荷载的主要技术指标

图1 公路-Ⅰ级荷载立面布置（mm）

图2 公路-Ⅰ级荷载平面（mm）

3.3 模拟结果分析

图3 基础为一般填土时模型变形

图4 基础为碎石时模型变形

采用有限元软件建立钢波纹管涵洞模型，公路-1级汽车荷载后轴作用于钢波纹管涵洞管顶正上方路基顶面，模拟分析不同基础（一般填土、碎石、天然砂砾、级配碎石）情况下钢波纹管涵洞的应力和变形规律。不同基础的模型变形见图3～图6。

图5 基础为天然砂砾时模型变形

图6 基础为级配碎石时模型变形

3.3.1 应力分析

管顶、管底和管侧的应力变化曲线见图7～图9，可以看出：（1）车辆荷载作用下，不同基础钢波纹管涵洞管端的应力值均小于管中。（2）管侧的应力值大于管顶、管底的应力值，说明车辆荷载作用于路基顶部时，钢波纹管涵洞由于纵向、轴向波纹的存在，管顶、管底的应力向管侧方向传递，引起管侧受力较大。（3）不同材料基础下钢波纹管涵洞应力从大到小依次为一般填土、碎石填土、天然砂砾、级配碎石。（4）当级配碎石基础时，管底应力明显小于其它换填基础，说明级配碎石增加了基础的强度，可防止钢波纹管涵洞整体沉降。（5）通过对比四种回填基础情况下管顶、管底和管侧的应力值大小可知，回填基础为级配碎石、天然砂砾时管涵所受应力最小。

图7 管顶应力变化曲线

图8 管底应力变化曲线

图9 管侧应力变化曲线

3.3.2 变形分析

管顶、管底和管侧的位移变化曲线见图10～图12，可以看出：（1）各回填基础工况下，从管涵管端到管中再到管涵端口，管涵位移呈现出先增大后减小的趋势，管中的位移最大。（2）荷载作用下钢波纹管涵洞不同位置位移变化量大小关系为管顶＞管侧＞管底。（3）不同材料基础下管涵位移从大到小依次为一般填土、碎石填土、天然砂砾、级配碎石。当基础强度较差时，通过改善基础材料可以有效减少钢波纹管涵洞的变形，确保结构的稳定。（4）对荷载作用下四种回填基础的管顶、管底和管侧的位移变化分析，回填基础为级配碎石、天然砂砾时管涵所受应力最小，与应力分析结果一致。

图10 管顶位移变化曲线

图11 管底位移变化曲线

图12 管侧位移变化曲线

4 钢波纹管涵洞施工要点

4.1 基础施工

4.1.1 基础结构要求

（1）由于钢波纹管为柔性结构，因此基础不宜采用刚性结构，当现场施工条件限制，必须使用时应设置砂砾缓冲层，减小刚性基础对波纹管的破坏。（2）钢波纹管涵洞基础成型时宜预留沉降量，应根据钢波纹管结构的管底纵坡、管顶填土具体高度进行设计。高填方路基时（一般管顶填土高度大于8.0 m），应针对具体情况对基础承载力做单独设计。

4.1.2 基础材料要求及施工

（1）当基础为一般地质土层时，应对基础采用天然砂砾或级配碎石进行换填；材料稀缺地区也可选用碎石土、砾石等材料，但应通过实验测试，各项指标满足规范要求后方可使用。（2）对于膨胀土、湿陷性黄土等地区钢波纹管涵洞除了基础应换填外，还应做好隔水处理。（3）多年冻土区钢波纹管涵洞基础应根据涵位处冻土特征、上限深度、路基填土高度、施工季节、施工条件等因素综合分析确定。涵洞基础的选择应与冻土地基类型相适应；当地基为高温冻土时，基底应进行保温隔热处理。基础顶部可铺设不小于0.3 m的砂砾或碎石垫层。（4）地基换填的宽度一般不宜小于涵管管径两侧各加宽1.0～2.0 m的宽度要求，换填的长度应结合涵洞管节总长度和涵洞出入口的铺砌方式等确定，不应小于管节总长度。

4.2 拼装施工

（1）安装前应检查涵底标高、纵坡、中心轴线。首先拼装底部钢波纹板，以中心轴线为基准确定第一张钢波纹板，由下向上顺次拼装，圆周向连接应采用错缝拼装，两片板连接孔对齐后进行螺栓固定连接。（2）钢波纹板件拼装搭接时，上部板件应在外侧，以防止土体中水渗入管内。（3）钢波纹管全部拼装完成后，应用定扭汽动扳手，控制扭矩为270～410 N·m，紧固所有螺栓。（4）预紧力扭矩符合要求后，用专用密封胶密封，以防钢波纹板连接处渗水。

4.3 回填施工

填土应从管涵两侧对称分层（压实后厚度小于0.3 m）回填，同时应控制两侧回填的高程差不能大于0.6 m。楔形部位采用粗沙进行“水密法”振捣密实。管顶上部机械压实时，应满足最小填土高度（一般不小于0.5 m），先采用小型手扶振动压路机压实，后采用小型压路机压实，填土厚度超过0.8 m后，方可采用20 t压路机振压。

5 结语

（1）国内外对钢波纹管涵洞均做了大量的应用和研究，结构形式多为同一换填基础情况下的受力分析或模拟分析，关于不同基础材料的钢波纹管涵洞应力、变形的研究则很少有报道。（2）不同基础材料对钢波纹管涵洞的应力影响较大，从大到小依次为一般填土、碎石填土、天然砂砾、级配碎石。（3）通过改善基础材料可有效改善钢波纹管涵洞的受力和变形，建议基础换填材料选用级配碎石或天然砂砾。材料稀缺地区也可选用碎石土、砾石等材料，但应通过实验测试，满足规范要求后方可使用。（4）钢波纹管涵洞应做好施工组织，拼装施工应控制好板片之间的连接，且管涵两侧应对称回填，同时各环节应进行严格控制，确保施工质量。